DE102013005633B4 - Production of microstructures in microsystems - Google Patents

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Abstract

Künstlicher Haarzellensensor (10) mit • einem Mikrokanal (22); • einem mit dem Mikrokanal (22) in Verbindung stehenden Wachstumskanal (30); • einem in dem Wachstumskanal (30) angeordneten und an einer Mikrosystemfläche (28) des Haarzellensensors (10) aus dem Wachstumskanal (30) nach oben hinaus ragenden metallischen Haarelement (14); • einer integrierten Mikroproduktionseinrichtung (12), die eine Materialabscheideeinrichtung mit einer Kathode (16) und einer Anode (18) aufweist, wobei die Materialabscheideeinrichtung dafür eingerichtet ist, im Mikrokanal (22) weiteres Metall (20) zum Nachwachsen des Haarelements (14) von unten her galvanisch abzuscheiden; • einer Ausstoß- oder Ausschiebeeinrichtung (24) zum Ausstoßen oder Ausschieben des nachwachsenden Haarelements (14) durch den Wachstumskanal (30) nach oben, wobei der Wachstumskanal (30) derart ausgebildet ist, dass das Haarelement (14) an einer Austrittsöffnung (26) der Mikrosystemfläche (28) aus dem Wachstumskanal (30) nach außen tritt, • einem Kraftsensor zur Messung der auf das Haarelement (14) wirkenden Kraft, die ein Drehmoment auf das Haarelement (14) ausübt und dadurch an der Austrittsöffnung (26) eine Krümmung bewirkt.Artificial hair cell sensor (10) having • a microchannel (22); A growth channel (30) in communication with the microchannel (22); A metallic hair element (14) arranged in the growth channel (30) and projecting upwards from the growth channel (30) on a microsystem surface (28) of the hair cell sensor (10); An integrated microproduction device (12), which has a material separation device with a cathode (16) and an anode (18), the material separation device being adapted for further metal (20) in the microchannel (22) for regrowth of the hair element (14) to be deposited galvanically at the bottom; An ejection or ejection device (24) for ejecting or expelling the regrowing hair element (14) through the growth channel (30) upwards, wherein the growth channel (30) is designed such that the hair element (14) at an outlet opening (26) the microsystem surface (28) emerges out of the growth channel (30), • a force sensor for measuring the force acting on the hair element (14), which exerts a torque on the hair element (14) and thereby a curvature at the outlet opening (26) causes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrosystem.The present invention relates to a microsystem.

Mikrosysteme sind üblicherweise Systeme mit der Größenordnung Millimeter, die üblicherweise Mikrostrukturen in der Größenordnung μm enthalten, die in einem System zusammenwirken, wobei mehrere unterschiedliche Bereiche der Physik wirksam werden können, zum Beispiel Elektronik und Optik, Elektronik und Mechanik, Fluidik und Biochemie.Microsystems are typically systems of the order of millimeters, usually containing microstructures on the order of μm, which interact in one system, allowing for several different areas of physics, such as electronics and optics, electronics and mechanics, fluidics and biochemistry.

Bei der Herstellung von Mikrosystemen kommen häufig MEMS(Microelectromechanical Systems)-Techniken zum Einsatz. Die Mikrostrukturen der Mikrosysteme können sehr empfindlich sein und bei der Weiterverarbeitung und/oder Montage leicht zerstört werden.In the production of microsystems MEMS (Microelectromechanical Systems) techniques are often used. The microstructures of the microsystems can be very sensitive and easily destroyed during further processing and / or assembly.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Möglichkeit einer Beschädigung bzw. Zerstörung einer Mikrostruktur bei der Weiterverarbeitung und/oder Montage zu reduzieren oder sogar zu beseitigen.The present invention is therefore based on the object of reducing or even eliminating the possibility of damage or destruction of a microstructure during further processing and / or assembly.

Diese Aufgabe wird durch ein Mikrosystem mit einer integrierten Mikroproduktionseinrichtung zur vorzugsweise gesteuerten Produktion einer Mikrostruktur gelöst. Beispielsweise kann die Produktion bzw. Erzeugung einer Mikrostruktur nach Bedarf (on demand) und/oder vor Ort (on site), insbesondere im Betrieb (in operation), erfolgen.This object is achieved by a microsystem with an integrated microproduction device for preferably controlled production of a microstructure. For example, the production or production of a microstructure can take place as needed (on demand) and / or on site (on site), in particular during operation (in operation).

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Mikroproduktionseinrichtung zur automatisierten Produktion der Mikrostruktur mit einer vorab vorgegebenen Geometrie und/oder Funktion nach einer Aktivierung gestaltet ist. Die Aktivierung kann zum Beispiel durch Einschalten der Mikroproduktionseinrichtung vor oder nach dem Einbau bzw. vor oder im Betrieb des Mikrosystems erfolgen. Sie kann beispielsweise durch eine Person und/oder eine Fernsteuerung, aber auch durch Umgebungsbedingungen erfolgen.According to a particular embodiment of the invention it can be provided that the micro-production device is designed for automated production of the microstructure with a predetermined geometry and / or function after activation. Activation can be effected, for example, by switching on the microproduction device before or after installation or before or during operation of the microsystem. It can be done for example by a person and / or a remote control, but also by environmental conditions.

Alternativ kann die Mikroproduktionseinrichtung zur automatisierten Produktion der Mikrostruktur mit einer erst während des Betriebs des Mikrosystems festgelegten oder festlegbaren Geometrie und/oder Funktion nach einer Aktivierung gestaltet sein. Die Art der Geometrie und/oder der Funktion kann bei dieser Ausführungsform also zum Beispiel erst während des Betriebs, zum Beispiel in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen, festgelegt werden. In gewissen Grenzen kann somit die Art der Mikrostruktur oder die spezielle Ausführungsform der Mikrostruktur erst während des Betriebs festgelegt werden. Dadurch lässt sich das Mikrosystem für verschiedene Aufgaben adaptieren.Alternatively, the micro-production device for automated production of the microstructure may be designed with an initial set or definable geometry and / or function during activation of the microsystem after activation. The type of geometry and / or the function can thus be determined in this embodiment, for example, only during operation, for example, depending on the environmental conditions. Within certain limits, the type of microstructure or the specific embodiment of the microstructure can thus only be defined during operation. As a result, the microsystem can be adapted for different tasks.

Das Mikrosystem weist eine Transporteinrichtung, wie zum Beispiel eine Translationseinrichtung, zum Transportieren der Mikrostruktur auf.The microsystem has a transport means, such as a translator, for transporting the microstructure.

Weiterhin kann das Mikrosystem eine sensorische, aktorische, fluidische, optische und/oder magnetische Funktion aufweisen.Furthermore, the microsystem may have a sensory, actuatoric, fluidic, optical and / or magnetic function.

Die Mikrostruktur ist ein künstliches Haarelement. Das resultierende Mikrosystem weist dann die Funktion eines Haarzellensensors auf (künstlicher Haarzellensensor (Artificial Haircell Sensor (AHCS)). Insbesondere lässt sich damit ein mechanischer Haarzellensensor mit einem regenerationsfähigen Fühlelement realisieren.The microstructure is an artificial hair element. The resulting microsystem then has the function of a hair cell sensor (artificial hair cell sensor (AHCS).) In particular, a mechanical hair cell sensor with a regeneration-capable sensing element can thus be realized.

Insbesondere kann die Mikroproduktionseinrichtung eine vorzugsweise elektrochemische Materialabscheideeinrichtung, insbesondere eine Einrichtung zur galvanischen Abscheidung oder außenstromlosen Abscheidung, enthalten. Alternativ kann die Mikroproduktionseinrichtung eine Materialverfestigungseinrichtung, insbesondere eine Einrichtung zur Verfestigung von LCP(Liquid Crystal Polymer)-Material, enthalten.In particular, the microproduction device may contain a preferably electrochemical material deposition device, in particular a device for galvanic deposition or electroless deposition. Alternatively, the micro-production device may comprise a material hardening device, in particular a device for solidifying LCP (liquid crystal polymer) material.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Materialabscheideeinrichtung oder die Materialverfestigungseinrichtung gestaltet, um das Haarelement gleichzeitig aus einer Mikrosystemfläche auszustoßen oder auszuschieben. Beispielsweise können bei den Materialabscheide- bzw. Materialverfestigungsprozess Vorschubkräfte entstehen, so dass die Erzeugung des Haarelements oder ganz allgemein der Mikrostruktur und das Vorbewegen (wie Ausstoßen bzw. Ausschieben), zum Beispiel aus einer Austrittsstelle, kombiniert sind.According to a particular embodiment of the invention, the material separation device or the material hardening device is designed to simultaneously expel or push out the hair element from a microsystem surface. For example, in the Materialabscheide- or material hardening process feed forces arise, so that the generation of the hair element or more generally the microstructure and the advancing (such as ejection or expulsion), for example, from an exit point combined.

Alternativ ist denkbar, dass das Mikrosystem eine Ausstoß- oder Ausschiebeeinrichtung, insbesondere einen Aktor, zum vorzugsweise teilweisen Ausstoßen oder Ausschieben des Haarelements aus einer Mikrosystemfläche enthält.Alternatively, it is conceivable that the microsystem contains an ejection or ejection device, in particular an actuator, for preferably partial ejection or expulsion of the hair element from a microsystem surface.

Insbesondere kann dabei ein Stempel vorgesehen sein, der durch einen piezoelektrischen, einen elektrostatischen oder einen thermischen Aktor nach dem Inchworm-Prinzip angetrieben wird.In particular, a stamp may be provided, which is driven by a piezoelectric, an electrostatic or a thermal actuator according to the inchworm principle.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Mikrosystem einen Kraftsensor zur Messung der Kraft auf die Wurzel des Haarelements aufweist.Furthermore, it can be provided that the microsystem has a force sensor for measuring the force on the root of the hair element.

Vorteilhafterweise ist der Kraftsensor ein kapazitiver Sensor, insbesondere zwischen dem Haarelement und einer Gegenelektrode, oder ein piezoresistiver Sensor.Advantageously, the force sensor is a capacitive sensor, in particular between the hair element and a counter electrode, or a piezoresistive sensor.

Schließlich weist das Mikrosystem gemäß einer besonderen Ausführungsform eine Berührungssensor- und/oder Strömungssensorfunktion auf. Mit anderen Worten dient dann das künstliche Haarelement zur Feststellung und gegebenenfalls auch Quantifizierung einer Berührung und/oder Strömung. Finally, according to a particular embodiment, the microsystem has a touch sensor and / or flow sensor function. In other words, then the artificial hair element is used to determine and possibly also quantify a touch and / or flow.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch das Vorsehen einer Mikroproduktionseinrichtung in einem Mikrosystem die Produktion bzw. Herstellung einer Mikrostruktur zeitlich verschoben werden kann, und zwar auf eine Zeit nach einer Weiterverarbeitung und/oder Montage. Dadurch kann man dann die Mikrostruktur in ein Halbzeug einbauen, das dann mechanisch beansprucht werden darf, da sich die empfindlichen Teile erst nach der Assemblierung entwickeln.The invention is based on the surprising finding that by providing a microproduction device in a microsystem, the production or production of a microstructure can be postponed in time, namely to a time after further processing and / or assembly. As a result, you can then install the microstructure in a semi-finished, which may then be subjected to mechanical stress, since the sensitive parts develop only after assembly.

Ferner liefert die vorliegende Erfindung zumindest in einer besonderen Ausführungsform erstmalig ein Mikrosystem, das sich erst im Betrieb selbst aufbauen kann.Furthermore, at least in one particular embodiment, the present invention provides for the first time a microsystem which can not build itself up during operation.

Die vorliegende Erfindung liefert aber nicht nur Mikrosysteme mit „wachsenden” Mikrostrukturen, sondern auch mit regenerationsfähigen Mikrostrukturen. Zudem kann durch die zeitliche Verlagerung der Herstellung der Mikrostruktur deren Geometrie und/oder Funktion unvollständig vordefiniert gelassen werden und erst im Betrieb vollständig festgelegt werden, zum Beispiel in Abhängigkeit von der dann zur erledigenden Aufgabe.However, the present invention provides not only microsystems with "growing" microstructures, but also with regenerative microstructures. In addition, due to the temporal shifting of the production of the microstructure, its geometry and / or function can be left incompletely predefined and only completely determined during operation, for example as a function of the task then to be performed.

Nach einer Zerstörung der Mikrostruktur kann durch Regeneration derselben, beispielsweise bezogen auf einen Haarzellensensor „Nachwachsen” des Haarelements desselben, die Funktion des Mikrosystems wiederhergestellt werden.After a destruction of the microstructure, the function of the microsystem can be restored by regeneration thereof, for example based on a hair cell sensor "regrowth" of the hair element thereof.

Bei den Mikrostrukturen kann es sich beispielsweise um ein Haarelement, aber zum Beispiel auch um eine Oberflächenstruktur zur Strömungsbeeinflussung, zum Beispiel Mikrostrukturen auf einer umströmten Oberfläche, die den Widerstandsbeiwert der Strömung vermindern und das Anwachsen von Parasiten erschweren können (Haifischhauteffekt), Mikrostrukturen auf Oberflächen, die die Anlagerung von Schmutzpartikeln verhindern (Lotuseffekt), und diffraktive Elemente der Mikrooptik, die Licht fokussieren und steuern können, handeln. Bei den diffraktiven Elementen der Mikrooptik erfolgt eine gezielte Beeinflussung eines Lichtstrahls durch eine regelmäßige Anordnung von Mikrostrukturen. Man kann zum Beispiel ein Mikrosystem bauen, das eine optische Aufgabe erfüllt, die erst nach der Integration in ein Gesamtsystem genau definiert werden muss.The microstructures may, for example, be a hair element, but also, for example, a surface structure for influencing the flow, for example microstructures on a surface that flows around, which can reduce the drag coefficient of the flow and make the growth of parasites difficult (shark skin effect), microstructures on surfaces, which prevent the accumulation of dirt particles (lotus effect), and diffractive elements of micro-optics, which can focus and control light act. In the case of the diffractive elements of the micro-optics, a targeted influencing of a light beam takes place through a regular arrangement of microstructures. For example, you can build a microsystem that performs an optical task that needs to be precisely defined after integration into an overall system.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der mehrere Beispiele anhand der schematischen Zeichnungen im Einzelnen erläutert werden. Dabei zeigt:Further features and advantages of the invention will become apparent from the appended claims and the following description in which several examples are explained in detail with reference to the schematic drawings. Showing:

1 eine Schnittansicht eines Mikrosystems gemäß einer ersten besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 1 a sectional view of a microsystem according to a first particular embodiment of the present invention;

2 eine Schnittansicht gemäß einer zweiten besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 2 a sectional view according to a second particular embodiment of the present invention;

3 eine Schnittansicht einer dritten, nicht beanspruchten Ausführungsform und 3 a sectional view of a third, not claimed embodiment and

4 eine Schnittansicht einer vierten, nicht beanspruchten Ausführungsform. 4 a sectional view of a fourth, not claimed embodiment.

Die nachfolgende Beschreibung betrifft vier verschiedene Mikrosysteme. Es handelt sich dabei sämtlichst um Haarzelensensoren. The following description relates to four different microsystems. These are all hair-hair sensors.

Haarzellensensoren konnten sich in der Praxis noch nicht durchsetzen, da sie einen großen Nachteil haben: Die empfindlichen Haarelemente (Härchen) können leicht abbrechen. Während natürliche Haar nachwachsen, sind die bekannten mikromechanischen Haarzellensensoren zerstört, wenn das Sensorhaar bricht oder abreißt. Mit der vorliegenden Erfindung ist es nun möglich, Sensorchips zu bauen, bei denen ein Sensorhaar nicht bei der Herstellung des Chips strukturiert wird, sondern später aus dem Chip herauswächst. Dazu kann im Chip eine Düse vorgesehen sein, in der das Material des Haares synthetisiert und verfestigt wird. Aus dieser Düse wird das Haar herausgedrückt und wächst somit aus dem Chip heraus. Dies kann beispielsweise sehr langsam kontinuierlich entstehen, oder das Wachstum wird beispielsweise einmal initiiert und kann dann bei Bedarf (wenn das Haar bricht) wiederholt werden.Hair cell sensors could not prevail in practice because they have a big disadvantage: the sensitive hair elements (hair) can break off easily. As natural hair regrows, the known micromechanical hair cell sensors are destroyed when the sensor hair breaks or breaks. With the present invention, it is now possible to build sensor chips in which a sensor hair is not patterned in the manufacture of the chip, but later grows out of the chip. For this purpose, a nozzle may be provided in the chip, in which the material of the hair is synthesized and solidified. From this nozzle, the hair is pushed out and thus grows out of the chip. This can, for example, occur very slowly continuously, or the growth is initiated once, for example, and then repeated as needed (when the hair breaks).

Die vorliegende Erfindung liefert unter anderem ein Mikrosystem, aus dem während des Betriebs ein Haar herauswächst. Das Haar kann zum Beispiel für sensorische Aufgaben eingesetzt werden. Dazu können auf dem Haar oder an der Haarwurzel Sensorelemente (Transducers, also Elemente, die eine physikalische Größe in ein elektrisches Signal umwandeln) an gebracht sein. Diese können insbesondere mechanische Sensorelemente sein, die die Krümmung des Haares nahe der Haarwurzel messen, die durch eine auf das Haar extern aufgeprägte Verformung erfolgt. Solche Sensorstrukturen können zum Beispiel sein: Dehnmessstreifen (piezoresistive Elemente), kapazitäve Sensoren, piezoelektrische Sensoren, druckempfindliche Schichten (zum Beispiel Nanopartikel aus Kohlenstoff), optische Sensoren, thermische Sensoren sowie Sensoren, die den Tunneleffekt nutzen.Among other things, the present invention provides a microsystem from which a hair grows out during operation. The hair can be used, for example, for sensory tasks. For this purpose, sensor elements (transducers, that is to say elements which convert a physical variable into an electrical signal) can be applied to the hair or to the hair root. These may be, in particular, mechanical sensor elements which measure the curvature of the hair near the root of the hair, which is effected by a deformation imposed externally on the hair. Such sensor structures may be, for example: strain gauges (piezoresistive elements), capacitive sensors, piezoelectric sensors, pressure-sensitive layers (for example carbon nanoparticles), optical sensors, thermal sensors and sensors that use the tunneling effect.

Das Haar kann zum Beispiel aus Metall, einem Halbleitermaterial oder aus einem Isolatormaterial, zum Beispiel aus Polymer oder Plastik, bestehen. The hair may be made of, for example, metal, a semiconductor material or an insulator material, for example of polymer or plastic.

Das Material für das Wachstum des Haares wird vorzugsweise als Flüssigkeit zugeführt oder in einem Chip gespeichert. Die Zuführung/Speicherung in der Gasphase oder als Feststoff sind jedoch auch denkbar.The material for the growth of the hair is preferably supplied as a liquid or stored in a chip. However, the supply / storage in the gas phase or as a solid are also conceivable.

Für die Verfestigung einer Flüssigkeit sind unter anderem folgende Möglichkeiten denkbar:

  • – elektrochemische (galvanische) oder stromlose Abscheidung aus der Flüssigphase.
  • – Mischung von zwei Substanzen, die sich dann verfestigen, durch zwei mikrofluidische Kanäle. Strömung eines Materials (Harz) durch eine Düse, bei der durch einen kleinen mikrofluidischen Seitenkanal ein Verfestiger (Härter) beigemischt wird. Verfestigung durch Polyaddition, Polykondensation oder Polymerisation.
  • – Erzeugung von Methylmethacrylat,
  • – Erzeugung von Fibrin,
  • – durch ultraviolettes Licht induzierte Verfestigung,
  • – Abscheidung von Flüssigkristallen.
The following possibilities are conceivable for the solidification of a liquid:
  • - Electrochemical (galvanic) or electroless deposition from the liquid phase.
  • - Mixture of two substances, which then solidify, through two microfluidic channels. Flow of a material (resin) through a nozzle, in which through a small microfluidic side channel a solidifier (hardener) is added. Solidification by polyaddition, polycondensation or polymerization.
  • - production of methyl methacrylate,
  • - production of fibrin,
  • Ultraviolet light-induced solidification,
  • - Separation of liquid crystals.

Das Ausstoßen bzw. Ausschieben des Haares kann unter anderem durch folgende Methoden bewirkt werden:

  • – Kleine Linearaktoren, die in dem Kanal, in dem das Haar verankert ist und aus dem es herausgeschoben wird, angebracht werden. Diese können als elektrostatische oder thermische Inchworm-Aktoren ausgeführt sein. Beim Inchworm-Aktor ist der Aktor mit dem Haar nicht fest verbunden. Er bewirkt in einem Zyklus nur einen sehr kleinen Weg (μm oder nm). Die Wege addieren sich jedoch durch viele Zyklen zu einer makroskopischen Bewegung.
  • – Ein Linearaktor kann von unten als Stempel in die Düse eindrücken und das Haar vorwärts treiben. Auf dem Stempel kann eine UV-Lichtquelle integriert sein oder der Stempel kann UV-transparent sein, so dass durch den Stempel UV-Licht in die Düse gelangen kann.
  • – Unterhalb der Düse kann ein Druck erzeugt werden, der eine Kraft auf das Haar nach außen bewirkt.
  • – Es können Schichten zum Einsatz kommen, die bei der Verfestigung Druck aufbauen, der das Haar aus der Düse nach außen bewegt. Dies kann insbesondere durch ein Material mit anisotroper Struktur, wie zum Beispiel Flüssigkristall, geschehen. Der Aufbau des Drucks kann durch eine gezielte Ausrichtung der Kristallite des Flüssigkristalls gefördert werden.
The ejection or expulsion of the hair can be effected inter alia by the following methods:
  • - Small linear actuators mounted in the channel where the hair is anchored and pushed out. These may be embodied as electrostatic or thermal inchworm actuators. With the inchworm actuator, the actuator is not firmly connected to the hair. It causes only a very small path (μm or nm) in one cycle. However, the paths add up to a macroscopic movement through many cycles.
  • - A linear actuator can press from below as a punch in the nozzle and drive the hair forward. A UV light source can be integrated on the stamp or the stamp can be UV-transparent, so that UV light can enter the nozzle through the stamp.
  • - Below the nozzle, a pressure can be generated, which causes a force on the hair to the outside.
  • - Layers can be used which build up pressure during solidification, which moves the hair out of the nozzle. This can be done in particular by a material with anisotropic structure, such as liquid crystal. The structure of the pressure can be promoted by a targeted alignment of the crystallites of the liquid crystal.

Im Folgenden sollen lediglich beispielhaft gezeigte Mikrosysteme gemäß besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden:
Allen nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen ist gemein, dass sie im Prinzip eine Einrichtung zur Produktion eines Haarelements (Haar) sowie eine Kraftsensorik und bedarfsweise auch eine separate Aktorik zum Ausstoßen bzw. Ausschieben des Haarelements aufweisen.
In the following, only microsystems exemplified are described according to particular embodiments of the present invention:
All embodiments described below have in common that in principle they have a device for producing a hair element (hair) and a force sensor and, if necessary, also a separate actuator for ejecting or pushing out the hair element.

Das in 1 gezeigte Mikrosystem 10 weist eine integrierte Mikroproduktionseinrichtung 12 zur gesteuerten Produktion eines Mikrostruktur in Form eines Haarelements 14 auf. Die Mikroproduktionseinrichtung 12 weist eine Einrichtung zur galvanischen Materialabscheidung auf. Diese umfasst eine Kathode 16 und eine Anode 18. Auf das metallische Haarelement 14, zum Beispiel aus Nickel, wird mittels der Einrichtung zur galvanischen Abscheidung von unten galvanisch in einem Mikrokanal 22 ein weiteres Metall 20 abgeschieden. Der bei der galvanischen Abscheidung verwendete Elektrolyt kann durch den Abtrag einer Opferelektrode (nicht gezeigt) ergänzt werden.This in 1 shown microsystem 10 has an integrated microproduction facility 12 for the controlled production of a microstructure in the form of a hair element 14 on. The microproduction facility 12 has a device for galvanic material deposition. This includes a cathode 16 and an anode 18 , On the metallic hair element 14 , For example, made of nickel, by means of the device for galvanic deposition from below galvanic in a microchannel 22 another metal 20 deposited. The electrolyte used in the electrodeposition can be supplemented by the removal of a sacrificial electrode (not shown).

Darüber hinaus weist das Mikrosystem eine Ausstoß- bzw. Ausschiebeeinrichtung in Form eines elektrostatischen Inchworm-Aktors 24 zum Stoßen bzw. Ausschieben des Haarelements 14 wie ein wachsendes oder nachwachsendes Haar aus einer Austrittsöffnung 26 in einer Mikrosystemfläche 28 auf. Besagter Inchworm-Aktor 24 umgibt einen Teil des Haarelements 14 in einem Wachstumskanal 30, der mit der Austrittsöffnung 26 in Fluidverbindung steht.In addition, the microsystem has an ejector in the form of an electrostatic inchworm actuator 24 for pushing or pushing out the hair element 14 like a growing or regrowing hair from an outlet 26 in a microsystem area 28 on. Said inchworm actuator 24 surrounds a part of the hair element 14 in a growth channel 30 that with the outlet 26 is in fluid communication.

Eine von außen wirkende Kraft erzeugt ein Drehmoment auf das Haarelement. Dieses Drehmoment wiederum bewirkt eine Krümmung an der Stelle, an der das Haarelement aus dem Kanal austritt. Die Krümmung der Haarzelle 14 kann beispielsweise mittels eines kapazitiven Sensors zwischen der Haarzelle 14 und einer Gegenelektrode 27 gemessen werden.An external force generates a torque on the hair element. This torque in turn causes a curvature at the point where the hair element exits the channel. The curvature of the hair cell 14 For example, by means of a capacitive sensor between the hair cell 14 and a counter electrode 27 be measured.

Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform sind das Wachstum und die Aktorik wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform getrennt. Mit anderen Worten verfügt das in 2 gezeigte Mikrosystem 32 ebenfalls über eine Mikroproduktionseinrichtung 34 und eine zusätzliche bzw. separate Ausstoß- oder Ausschiebeeinrichtung in Form eines Stempels 36 der piezoelektrisch von unten gegen frisch aufgewachsenes Haarelementmaterial 38 gedrückt wird und das Haarelement 14 durch den Wachstumskanal 40 nach außen schiebt.At the in 2 In the embodiment shown, the growth and the Aktorik as in in 1 shown embodiment separated. In other words, that has in 2 shown microsystem 32 also via a microproduction facility 34 and an additional or ejection or ejection device in the form of a stamp 36 the piezoelectric from below against freshly grown hair element material 38 is pressed and the hair element 14 through the growth channel 40 pushes outward.

Die Mikroproduktionseinrichtung 34 ist gestaltet, um zwei Ausgangsstoffe 42 und 44, die durch getrennte Mikrokanäle 46 bzw. 48 einer Wachstumszone 50 flüssig zugeführt werden, aushärten zu lassen. Bei den Ausgangsstoffen 42 und 44 kann es sich um ein sogenanntes Zwei-Komponenten-System handeln. Dieses härtet dann chemisch aus. Alternativ könnte zum Beispiel ein Polymer verwendet werden, das zum Beispiel thermisch oder durch UV-Licht aus einer LED (nicht gezeigt) oder einem Lichtleiter (nicht gezeigt) ausgehärtet wird.The microproduction facility 34 is designed to be two starting materials 42 and 44 through separate microchannels 46 respectively. 48 a growth zone 50 be fed liquid, to cure. With the starting materials 42 and 44 it can be a so-called two-component system. This then hardens chemically. Alternatively, for example, a polymer could be used that is cured, for example, thermally or by UV light from an LED (not shown) or a light pipe (not shown).

Die Sensorik kann zum Beispiel eine Federstruktur aufweisen, die durch das Ätzen einer Grube 47 neben dem Wachstumskanal 40 entsteht. Die Verformung der Federstruktur kann beispielsweise durch ein piezoresistives Material 49 in der Grube gemessen werden.The sensor system may, for example, have a spring structure that is created by etching a pit 47 next to the growth channel 40 arises. The deformation of the spring structure, for example, by a piezoresistive material 49 to be measured in the pit.

Die Ausführungsformen gemäß den 3 und 4 unterscheiden sich von den Ausführungsformen gemäß den 1 und 2 im Wesentlichen darin, dass bei diesen das Wachstum und die Aktorik kombiniert sind.The embodiments according to the 3 and 4 differ from the embodiments according to the 1 and 2 essentially, in that they combine growth and actuators.

Bei dem Mikrosystem 52 gemäß der 3 ist keine separate Ausstoß- oder Ausschiebeeinrichtung vorgesehen, sondern sozusagen in der Mikroproduktionseinrichtung 54 enthalten. Letztere weist eine Einrichtung zur außenstromlosen Abscheidung auf. Die stromlose Abscheidung wird dabei durch katalytische Beschichtung 56 unterhalb des Haarelements 14 beschränkt. Der Vorschub bzw. das Ausstoßen/Ausschieben des Haarelements 14 aus der Austrittsöffnung 58 in dem Wachstumskanal 60 erfolgt durch den Stress, den das aufwachsende Metall 62 induziert.In the microsystem 52 according to the 3 no separate ejection or Ausschiebeeinrichtung is provided, but so to speak in the micro-production facility 54 contain. The latter has a device for electroless deposition. The electroless deposition is thereby by catalytic coating 56 below the hair element 14 limited. The feed or the ejection / expulsion of the hair element 14 from the outlet 58 in the growth channel 60 done by the stress of the growing metal 62 induced.

Die Sensorik kann beispielsweise wieder einen kapazitiven Sensor mit einer Gegenelektrode 57 wie das Mikrosystem gemäß der 1 aufweisen.The sensor, for example, again a capacitive sensor with a counter electrode 57 like the microsystem according to the 1 exhibit.

Das Mikrosystem 64 von 4 weist eine Mikroproduktionseinrichtung 66 auf. Mittels letzterer wird ein flüssigkristallines Polymer 68 lokal verfestigt. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes über eine Anode 72 und eine Kathode 70 führt die anisotrope Mikrostruktur des flüssigkristallinen Polymers zu einer gerichteten Kraft, wie durch die Pfeile 74 angedeutet, die das Haarelement 14 nach außen schiebt.The microsystem 64 from 4 has a microproduction facility 66 on. By means of the latter, a liquid crystalline polymer 68 locally solidified. When an electric field is applied across an anode 72 and a cathode 70 For example, the anisotropic microstructure of the liquid crystalline polymer results in a directional force as indicated by the arrows 74 implied that the hair element 14 pushes outward.

Die Sensorik kann beispielsweise einen piezoresistiven Sensor umfassen.The sensor system may include, for example, a piezoresistive sensor.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in den beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The features of the invention disclosed in the foregoing description, in the drawings and in the claims may be essential both individually and in any desired combinations for the realization of the invention in its various embodiments.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Mikrosystemmicrosystems
1212
MikroproduktionseinrichtungMicro production facility
1414
Haarelementhair element
1616
Kathodecathode
1818
Anodeanode
2020
Metallmetal
2222
Mikrokanalmicrochannel
2424
Inchworm-AktorInchworm actuator
2626
Austrittsöffnungoutlet opening
2727
Gegenelektrodecounter electrode
2828
MikrosystemflächeMicro System Design
3030
Wachstumskanalgrowth channel
3232
Mikrosystemmicrosystems
3434
MikroproduktionseinrichtungMicro production facility
3636
Stempelstamp
3838
HaarelementmaterialHair element material
4040
Wachstumskanalgrowth channel
42, 4442, 44
Ausgangsstoffestarting materials
4646
Mikrokanalmicrochannel
4747
Grubepit
4848
Mikrokanalmicrochannel
4949
piezoresistives Materialpiezoresistive material
5050
Wachstumszonegrowth zone
5252
Mikrosystemmicrosystems
5454
MikroproduktionseinrichtungMicro production facility
5656
Beschichtungcoating
5757
Gegenelektrodecounter electrode
5858
Austrittsöffnungoutlet opening
6060
Wachstumskanalgrowth channel
6262
Metallmetal
6464
Mikrosystemmicrosystems
6666
MikroproduktionseinrichtungMicro production facility
6868
Polymerpolymer
7070
Kathodecathode
7272
Anodeanode
7474
Kraftforce

Claims (2)

Künstlicher Haarzellensensor (10) mit • einem Mikrokanal (22); • einem mit dem Mikrokanal (22) in Verbindung stehenden Wachstumskanal (30); • einem in dem Wachstumskanal (30) angeordneten und an einer Mikrosystemfläche (28) des Haarzellensensors (10) aus dem Wachstumskanal (30) nach oben hinaus ragenden metallischen Haarelement (14); • einer integrierten Mikroproduktionseinrichtung (12), die eine Materialabscheideeinrichtung mit einer Kathode (16) und einer Anode (18) aufweist, wobei die Materialabscheideeinrichtung dafür eingerichtet ist, im Mikrokanal (22) weiteres Metall (20) zum Nachwachsen des Haarelements (14) von unten her galvanisch abzuscheiden; • einer Ausstoß- oder Ausschiebeeinrichtung (24) zum Ausstoßen oder Ausschieben des nachwachsenden Haarelements (14) durch den Wachstumskanal (30) nach oben, wobei der Wachstumskanal (30) derart ausgebildet ist, dass das Haarelement (14) an einer Austrittsöffnung (26) der Mikrosystemfläche (28) aus dem Wachstumskanal (30) nach außen tritt, • einem Kraftsensor zur Messung der auf das Haarelement (14) wirkenden Kraft, die ein Drehmoment auf das Haarelement (14) ausübt und dadurch an der Austrittsöffnung (26) eine Krümmung bewirkt.Artificial hair cell sensor ( 10 ) with • a microchannel ( 22 ); • one with the microchannel ( 22 ) related growth channel ( 30 ); • one in the growth channel ( 30 ) and on a microsystem surface ( 28 ) of the hair cell sensor ( 10 ) from the growth channel ( 30 ) upwardly projecting metallic hair element ( 14 ); • an integrated micro-production facility ( 12 ) comprising a material separation device with a cathode ( 16 ) and an anode ( 18 ), wherein the Materialabscheideeinrichtung is adapted for in the micro channel ( 22 ) another metal ( 20 ) for regrowth of the hair element ( 14 ) to be electrodeposited from below; • an ejection or ejection device ( 24 ) for ejecting or pushing out the regrowing hair element ( 14 ) by the Growth channel ( 30 ), where the growth channel ( 30 ) is formed such that the hair element ( 14 ) at an exit opening ( 26 ) of the microsystem area ( 28 ) from the growth channel ( 30 ) comes to the outside, • a force sensor for measuring the hair element ( 14 ) acting force, which has a torque on the hair element ( 14 ) and thereby at the outlet opening ( 26 ) causes a curvature. Künstlicher Haarzellensensor (32) mit • zwei getrennten Mikrokanälen (46, 48); • einem mit den Mikrokanälen (46, 48) in Verbindung stehenden Wachstumskanal (40); • einem in dem Wachstumskanal (40) angeordneten und an einer Mikrosystemfläche des Haarzellensensors (34) aus dem Wachstumskanal (40) nach oben hinaus ragenden Haarelement (14); • einer integrierten Mikroproduktionseinrichtung (34), die eine Materialverfestigungseinrichtung aufweist, wobei die Materialverfestigungseinrichtung dafür eingerichtet ist, zwei Ausgangsstoffe (42, 44) getrennt durch die Mikrokanäle (46, 48) einer Wachstumszone (50) unterhalb des Haarelements (14) flüssig zuzuführen, wobei die Ausgangsstoffe (42, 44) ein Zwei-Komponenten-System bilden, das chemisch aushärtet, wodurch das Haarelement (14) von unten her nachwachst; • einer Ausstoß- oder Ausschiebeeinrichtung (36) zum Ausstoßen oder Ausschieben des nachwachsenden Haarelements (14) durch den Wachstumskanal (40) nach oben, wobei der Wachstumskanal (40) derart ausgebildet ist, dass das Haarelement (14) an einer Austrittsöffnung der Mikrosystemfläche aus dem Wachstumskanal (40) nach außen tritt, • einem Kraftsensor zur Messung der auf das Haarelement (14) wirkenden Kraft, die ein Drehmoment auf das Haarelement (14) ausübt und dadurch an der Austrittsöffnung eine Krümmung bewirkt.Artificial hair cell sensor ( 32 ) with • two separate microchannels ( 46 . 48 ); • one with the microchannels ( 46 . 48 ) related growth channel ( 40 ); • one in the growth channel ( 40 ) and on a microsystem surface of the hair cell sensor ( 34 ) from the growth channel ( 40 ) upwardly projecting hair element ( 14 ); • an integrated micro-production facility ( 34 ), which has a material hardening device, wherein the material hardening device is adapted to use two starting materials ( 42 . 44 ) separated by the microchannels ( 46 . 48 ) of a growth zone ( 50 ) below the hair element ( 14 ) liquid, the starting materials ( 42 . 44 ) form a two-component system which hardens chemically, whereby the hair element ( 14 ) grows from below; • an ejection or ejection device ( 36 ) for ejecting or pushing out the regrowing hair element ( 14 ) through the growth channel ( 40 ), where the growth channel ( 40 ) is formed such that the hair element ( 14 ) at an exit opening of the microsystem area from the growth channel ( 40 ) comes to the outside, • a force sensor for measuring the hair element ( 14 ) acting force, which has a torque on the hair element ( 14 ) and thereby causes a curvature at the outlet opening.
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